全 文 ：收稿日期: 20030212
基金项目: 中国林科院院 西藏冷杉林生态系统养分循环研究资助
作者简介: 辛学兵( 1967 ) ,男,山西临汾人,副研究员.
林业科学研究 ! 2004, 17( 1) : 6 ~ 11
Forest Research
! ! 文章编号: 10011498( 2004) 01000606
西藏色季拉山冷杉林生态系统
养分的淋溶输出研究
辛学兵1, 2, 3, 王景生3, 翟明普1
(1.北京林业大学资源与环境学院,北京 ! 100083; 2.中国林业科学研究院林业研究所,北京 ! 100091;
3.西藏农牧学院高原生态研究所,西藏 林芝 ! 860000)
摘要: 西藏色季拉山冷杉林生态系统中土壤地表水和土壤渗漏水中离子和元素的输出量占降水养分
输入量的比重很小, 均不超过 1%。地表枯落物和土壤中的 SO2-4 、HCO-3 、N 被淋溶; K、Zn、P 被吸附;
土壤总的淋溶量从大到小的顺序为: SO2-4 > Cl- > HCO-3 > C> Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P> K; 土壤
总的淋溶系数显示的次序为HCO-3 > Ca> SO2-4 > Na> Cl- > N> Mg> C> Fe> P> K> Zn。
关键词: 西藏;冷杉林生态系统;养分; 淋溶输出
中图分类号: S79114 ! ! ! 文献标识码: A
在森林土壤生态系统中,物质的输入和输出决定着生态系统的稳定性。养分的输出主要
是以地表径流和土壤渗漏水的形式进行的,国内外这方面的报道很多[ 1~ 5]。在西藏地区由于
受地理条件的限制, 尚未见这方面的研究报道。在西藏东南部的冷杉( Abies georgei Orr. )林内
进行这方面的研究,主要是填补高海拔地区( 3 900 m 左右)养分循环基础数据的空白, 为深入
研究西藏高原森林生态系统的物质循环和能量流动奠定基础。
1 ! 试验地概况
试验观测地属于西藏高山森林生态系统定位站,位于色季拉山东南坡,海拔 3 850 m, 具体
位置 94∀25#~ 94∀45# E, 29∀35#~ 29∀57# N,年平均气温- 073 ∃ ,年均日照时数1 1506 h,日照
百分率 261%, 年均相对湿度 7883%。研究地区年均降水量 1 1341 mm, 蒸发量 5440 mm,
6 9月为雨季,占全年降水的 75%~ 82%, 属较典型的亚高山温带半湿润气候区。土壤以酸
性棕壤为主,土层较厚,腐殖质化过程明显,在海拔较高的冷杉林下常有明显的灰化层。试验
林面积 1 hm2, 海拔 3 850 ~ 3 950 m, 坡度 25∀,坡位中,林分组成为急尖长苞冷杉原始纯林,平
均胸径 76 cm,平均树高 38 m, 郁闭度07,平均年龄 200 a,为成过熟原始林。林下植被主要有
西南花楸( Sorbus rehderiana Koehne)、柳叶忍冬( Lonicera lenceolata Wall. )、冷蕨( Cystoperis sp. )、
草莓( Fragaria sp. )等。
2 ! 研究材料与方法
21 ! 地表径流及壤中流观测
1997年,西藏高原生态系统定位站建立了两个 10 m % 15 m径流观测场,即林内径流场、林
外径流场。场内垂直坡向长 10 m,平行坡向长 15 m,周围是 20 cm厚的水泥墙,深 15 m, 露出
地面 20 cm(防止区外水流入) ,形成 150 m2 的集水区,出水口宽 120 m,分 5层(含地表层) ,每
层相距 30 cm。分别设置 5个水桶测定其流量。第 1层为地表径流,第 2至 5层为土壤渗漏
水, 5层以下均作为深层入渗量。
22 ! 土壤渗透能力的测定
用双环测渗仪来测定,双环测渗仪内径为 18 cm,外径 36 cm,环高 5 cm。实验时打入地下
5 cm, 同时往内、外筒加水,水位一直保持 5 cm(注意保持内外水位相同和记录水温)。记录每
下降 1 cm水位所用时间, 再加水至 5 cm,反复多次,直至每下降 1 cm 水位所需时间相同为止。
分A、B、C 3个土壤层测定,每月测定 1次。
23 ! 水体的养分含量测定[ 6]
Cl- 硝酸银滴定法; SO2-4 硫酸钡比浊法; PO3-4 钼蓝比色法; CO2-3 、HCO-3
双指示剂滴定法;N(水解性N) 碱解蒸馏法; Na+ 、K+ 火焰光度法; Ca2+ 、Mg2+ 和其它
离子 原子吸收光谱法。
3 ! 结果与分析
31 ! 地表径流和土壤渗漏水的化学组成
地表径流和土壤渗漏水中的养分离子在随土壤水运动的过程中,土壤胶体会对养分离子
产生吸附作用, 从而影响径流和渗漏水中的养分离子含量, 使不同土层深度的养分离子含量分
布不均,产生差异[ 3~ 5]。在 6、7、8、9月份冷杉
林地产生地表径流和土壤渗漏水, 即集中在雨
季,其它月份基本上没有形成地表径流和土壤
渗漏水 (表 1)。土壤渗漏水的高峰期比地表
径流要晚一些, 说明水分在土壤中的垂直渗漏
和水平运移比地表径流滞后。
表 1! 不同月份的冷杉林地地表径流量和
土壤渗漏水量 m3&hm- 2
项目 6月 7月 8月 9月 合计
地表径流量 10 30 31 15 86
壤中流量 ! 04 15 26 27 72
! ! 大气降水经过森林生态系统的作用流出后, pH 值略有降低, 经过冷杉树冠的水 pH 值为
662,呈中性偏酸,但经过土壤的过滤、吸附后又恢复到 766, 呈中性偏碱(表 2)。显然大气降
水中的H+ 通过土壤时已滞留于土壤中,交换出部分阳离子,使冷杉林下的土壤呈酸性。
表 2 ! 西藏色季拉山冷杉林地表径流和土壤渗漏水中元素和离子含量
项目 pH 值 HCO-3 Cl- SO2-4 N C P K Na Ca Mg Cu Zn Fe
林内雨/ ( mg&L- 1) 662 1213 781 4175 282 3283 021 015 003 058 394 018 411 083
地表径流/ ( mg&L- 1) 777 1777 508 7511 353 3018 003 000 001 050 307 011 046
增大倍数 046 - 035 080 025 - 008- 087- 099 - 076 - 014 - 022 - 097 - 045
土壤渗漏水/ ( mg&L- 1) 766 4607 883 6830 305 2372 004 000 010 247 407 009 041 081
增大倍数 280 013 064 008 - 028- 081- 099 203 324 003- 050- 090 - 003
7第 1 期 辛学兵等:西藏色季拉山冷杉林生态系统养分的淋溶输出研究
! ! 在森林生态系统中, 地表径流和土壤渗漏水中的养分一方面是来自大气降水和对林冠、树
干的淋溶;另一方面则来自于枯枝落叶腐解后的养分淋溶、淋洗补充[ 6, 7]。这些元素被降水所
溶解并进入土壤中进行养分循环, 虽受到植被层、土壤层的阻隔和截面的过滤、吸附作用,但仍
有部分元素随水流出。在地表径流中, SO2-4 含量最大, P 含量最小, 分别为 7511、0209
mg&L- 1; 土壤渗漏水中, SO2-4 的含量最大( 683 mg&L- 1) , K的含量最小( 0001 mg&L- 1)。
林内降水到达地面后形成地表径流,化学组成发生了较大的变化。HCO-3 、SO2-4 、N( NO-3
N、NH+4 N)的含量增加了 025 ~ 08倍,表明地表枯落物层经过降水的淋溶,这些离子和元素
进入水中,并输出系统外。特别是HCO-3 、SO2-4 的大量淋溶, 减轻了土壤酸化的程度, 但对输
出水而言, 则增加了酸性物质的含量。其它离子和元素如: Cl- 、C、P、K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe
等含量均有不同程度的减少, 其中K、Zn 元素被吸附达 97%以上, P、Na 元素被吸附达 76%以
上, Fe元素被吸附 45%,减少的十分明显,说明这些离子和元素在地表枯落物层中被强烈吸附
和固定。
土壤胶体的表面主要是由有机的交换基和无机的交换基构成,前者主要是腐殖酸,后者主
要是粘土矿物, 它们在土壤中互相结合着,形成复杂的有机胶质复合物,这些物质在土壤的渗
漏水运动过程中对水中化学组成的影响是至关重要的[ 3, 8, 9]。土壤渗漏水的养分含量与林外
雨相比,大部分离子和元素的含量大幅度增加, 其中 Ca、HCO-3 、Na的含量增加了 203 ~ 324
倍;Mg、N、Cl- 、SO2-4 的含量增加了 003 ~ 064倍。这说明土壤中这些离子和元素在水分的
垂直渗漏和水平运移过程中被淋溶出来,并随之输出系统之外, 因此,对整个生态系统而言,这
部分养分是流失的。其它一些元素如 C、P、K、Cu、Zn、Fe 等,经土壤和地被物的层层作用, 大部
分被吸附、滞留在土壤中,表明冷杉林内土壤对此类元素具有极强的固定作用, 其中 P、K、Zn
元素的吸附率均超过了 90%, Cu元素的吸附率也达到了 50%。
比较地表枯落物和土壤的淋溶特征可以发现:地表枯落物中较易被淋失的离子和元素依
次为: SO2-4 、HCO-3 、N;土壤中较易被淋溶出来的离子和元素依次为: Ca、HCO-3 、Na、SO2-4 、Cl- 、
N、Mg。
比较地表枯落物和土壤的吸附特征可以发现:地表枯落物较易吸附的离子和元素依次为:
K、Zn、P、Na、Fe、Cl- 、Mg、Ca、C、Cu;土壤较易吸附的离子和元素依次为: K、Zn、P、Cu、C、Fe。
土壤地表水和渗漏水中所携带的养分数量是森林生态系统养分循环的重要参数之一。水
中各种养分离子的含量及其迁移规律既受林分及其凋落物的影响,又受土壤化学组成、吸收性
能及物理性质的制约,因此,地表水和渗漏水中各种离子的含量及迁移、留存、淋失等状况 ,不
一定能表现出显著的相关性。
32 ! 地表径流中养分输出量的季节变化
地表径流中养分输出量的季节变化随地表径流量的季节变化而变化(表 3)。在旱季没有
地表径流的形成,也没有养分的输出。在雨季,地表径流中养分的输出与同期降雨量的大小成
正相关关系,所有离子和元素的输出在 7、8月份达到最高值。年输出量最大的为 SO2-4 ,最小
的为 K元素, 分别为 6459、0017 g&hm- 2, 总的输出顺序依次为: SO2-4 > C> HCO-3 > Cl- > N>
Mg> Ca> Fe> P> Na> K。
8 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
表 3! 西藏色季拉山冷杉林地表径流养分输出量 g&hm- 2
月份 HCO-3 Cl- SO2-4 N C P K Na Ca Mg Fe
6 1777 508 7511 353 3018 003 000 001 050 307 011
7 5331 1524 22533 1060 9054 008 001 002 151 920 032
8 5509 1575 23284 1096 9356 008 001 003 156 951 033
9 2666 762 11267 530 4527 004 000 001 075 460 016
总计 15282 4370 64595 3039 25955 023 002 007 432 2638 091
33 ! 土壤渗漏水中养分输出量的季节变化
通过土壤渗漏水的垂直及土层内的水平运动, 渗漏的养分能全面、均衡地供植物根系吸
收;而土壤对渗漏水养分的滞留,可使渗漏水中的养分保持及贮存在土壤中, 供森林生长发育
所需。土壤渗漏水养分输出量随土壤渗漏水的季节变化而变化(表 4)。在旱季由于没有土壤
渗漏水的形成,因此也没有养分的输出。在雨季,土壤渗漏水中养分的输出与同期降雨量相
比,有大约一个月的滞后期。所有离子和元素的输出在 8、9月份达到最高值。年输出量最大
的为 SO2-4 , 最小的为 K 元素, 分别为: 4918、0007 g&hm- 2, 总的输出顺序依次为: SO2-4 >
HCO-3 > C> Cl
- > Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P> K。各种营养元素的土壤渗漏水输出量可以
划分为五个等级: C( 1708 g&hm- 2)、Mg、N 和 Ca( 178 ~ 293 g&hm- 2)、Fe( 295 g&hm- 2)、Na、
Zn和P ( 029 ~ 072 g&hm- 2)、K( 0007 2 g&hm- 2)。比较地表径流水和土壤渗漏水的养分输
出量可以发现, Na、Ca、Mg等元素在渗漏水中输出量明显高于地表径流,说明这些元素被凋落
物或土壤表层所吸附,而在深层土壤中被淋溶。
表 4 ! 西藏色季拉山冷杉林林地土壤渗漏水养分输出量 g&hm- 2
月份 HCO-3 Cl- SO 2-4 N C P K Na Ca Mg Zn Fe
6 1840 350 2730 120 950 002 000 004 100 160 004 016
7 6910 1320 10250 460 3560 006 000 015 370 610 014 062
8 11980 2300 17760 790 6170 010 000 026 640 1060 023 107
9 12440 2380 18440 820 6400 011 001 027 670 1100 024 111
总计 33170 6360 49180 2200 17080 029 001 072 1780 2930 065 295
34 ! 土壤地表水和土壤渗漏水中养分的淋溶
土壤地表水和土壤渗漏水中离子和元素的输出量占降水养分输入量的比重很小(表 5) ,
均不超过 1%, 说明土壤枯落物层和土壤本身具有极强的吸附功能, 也说明了色季拉山冷杉林
生态系统具有良好的水土保持性能。土壤总的淋溶量从大到小的顺序为: SO2-4 > Cl- > HCO-3
> C> Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P> K;土壤总的淋溶系数显示的次序为 HCO-3 > Ca> SO2-4 >
Na> Cl- > N> Mg> C> Fe> P> K> Zn。
表 5 ! 西藏色季拉山冷杉林林地土壤淋溶的养分量 kg&hm- 2&a- 1
项目 HCO-3 Cl- SO 2-4 N C P K Na Ca Mg Zn Fe
林内降水 5199 3345 17947 1203 14124 090 064 013 248 1684 1757 355
养分流失 048 0106 114 0052 043 0000 5 0000 3 0000 79 0022 0055 0000 7 0003 9
淋溶量 ! - 515 - 3334 - 1783 - 120 - 1408 - 090 - 064 - 013 - 246 - 1679 - 1757 - 355
淋溶系数 - 099 - 100 - 099 - 100 - 100 - 100 - 100 - 099 - 099 - 100 - 100 - 100
9第 1 期 辛学兵等:西藏色季拉山冷杉林生态系统养分的淋溶输出研究
4 ! 结论
地表枯落物和土壤的淋溶特征显示: 地表枯落物中较易被淋溶出来的离子和元素为:
SO2-4 、HCO-3 、N;土壤中较易被淋溶出来的离子和元素为: Ca、HCO-3 、Na、SO2-4 、Cl-、N、Mg, 其中
Ca、Na、Cl-、Mg 在地表枯落物中被强烈固定,但在土壤中被淋溶出来。
地表枯落物和土壤的吸附特征显示: 地表枯落物较易吸附的离子和元素为: K、Zn、P、Na、
Fe、Cl-、Mg、Ca、C、Cu;土壤中较易吸附的离子和元素为: K、Zn、P、Cu、C、Fe, 其中 K、Zn、P 在两
者中均被强烈吸附。
地表径流中养分的输出量与同期降雨量的大小成正相关关系。输出量顺序依次为: SO2-4
> C> HCO-3 > Cl
- > N> Mg> Ca> Fe> P> Na> K。
土壤渗漏水中养分的输出量与同期降雨量相比,有大约一个月的滞后期。输出量顺序依
次为: SO2-4 > HCO-3 > C> Cl- > Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P> K。
土壤地表水和土壤渗漏水中离子和元素的输出量占降水养分输入量的比重很小, 均不超
过1%,说明土壤枯落物层和土壤本身具有极强的吸附功能, 也说明了色季拉山冷杉林生态系
统具有良好的水土保持性能。土壤总的淋溶量从大到小的顺序为: SO2-4 > Cl- > HCO-3 > C>
Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P> K;土壤总的淋溶系数显示的次序为 HCO-3 > Ca> SO2-4 > Na>
Cl
-
> N> Mg> C> Fe> P> K> Zn。
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10 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
A Study on Eluviation Outputs of Nutrients of Abies georgei
Forest Ecosystem of Mount Sejila in Tibet
XIN Xuebing 1, 2, 3, WANG Jingsheng 2, ZHAI Mingpu 1
( 1College of Resources and Environments, Beijing Forestry University, Beijing ! 100083, China;
2Research Institute of Forestry, CAF, Beijing ! 100091, China;
3 Inst itute of Plateau Ecology, Tibet Agriculture and Animal Husbandry College, Linzhi ! 860000,Tibet , China)
Abstract: The output quantities of ions and elements within the soil surface water and the soil leakage water in
the Abies georgei forest ecosystem of Mount Sejila in Tibet accounted for only a very little ratio in the total nutri
ent input quantities, they both accounted for less than 1% . The litters on the soil surface and the ions and/ or el
ement SO2-4 , HCO
-
3 and N within the soil were eluviated, and the elements K, Zn and P were absorbed. The
sequence of the total soil eluviation quantities was SO2-4 > Cl
- > HCO-3 > C> Mg> N> Ca> Fe> Na> Zn> P
> K, and that of total soil eluviation coefficients was HCO-3 > Ca> SO
2-
4 > Na> Cl
- > N> Mg> C> Fe> P>
K> Zn.
Key Words:Tibet; Abies georgei forest ecosystem; nutrient eluviation outputs
11第 1 期 辛学兵等:西藏色季拉山冷杉林生态系统养分的淋溶输出研究